利用自然電位曲線劃分咸淡水界面

馬安麗

(安徽省煤田地質局水文勘探隊，安徽 宿州 234000)

早期的測井是將電極系放到井下，在供電電極供給電流時，地面用電位計觀察測量電極間電位差的變化。然而，在供電電極停止供電后，當提升電極跨過地層界面時，仍然觀察到電位計指針的變化。于是發現了自然電位測井。自然電位測井設備簡單，測量速度快，生產效率高，在確定地下水埋藏、分布、估計滲透層以及區分咸淡水界面等方面應用很廣泛。

1 基本原理

把一個電極埋設在地面，另一個電極放入井下，用導線將它們與電位計連接起來，便會發現兩個電極之間存在一個電位差，使檢流計指針發生偏轉。這個天然存在的電位差主要由兩部分組成:

1.1 電極極化電位差

電極極化電位產生在電極與其介質的接觸面上。它不是在地層中天然存在的一種電位，而是因為電極與水或含水的土壤接觸而產生的。在自然電位法測井中，這部分電位差是一種干擾因素。

1.2 自然電位差

自然電位差是在地下天然存在的與電極無關的電位差。形成自然電位差的原因很多，如因溶液濃度的不同而產生的擴散電位，因井液與地下水壓力的不同而產生的滲透電位，因地層中的電化學活動較強的物質的氧化、還原而產生的氧化還原電位等。在上述成因中，主要的及意義最大的是擴散電位。

當溶解在井液和地層水中的鹽的濃度(即礦化度)不同時，離子就會從濃度大的一方向濃度小的一方擴散。各種離子的遷移率是不同的，非金屬離子的遷移率快，金屬離子的遷移率慢。以氯化鈉為例，鈉離子是金屬離子，帶正電，氯離子是非金屬離子，帶負電。氯離子的移動速度比鈉離子快，擴散的結果就會出現在濃度大的一方正離子過剩而帶正電，濃度小的一方負離子過剩而帶負電。

1.3 自然電位曲線性質

1.3.1 曲線形態與礦化度的關系

以自然電位為橫坐標，測量深度為縱坐標，將觀測結果點繪到方格紙上。縱坐標的比例尺應與視電阻率測井曲線一致。橫坐標比例尺可選用每厘米代表10 mV或20 mV，坐標向右的方向為正的方向。

假設上層為咸水，其礦化度為C1，下層為淡水，其礦化度為C2，井液礦化度為C0，自然電位曲線有以下四種類型:

(1)當C0＞C1＞C2時，砂層在曲線上表現全部為正異常，但在咸水層中的異常幅值小于淡水層中的異常幅值 (見圖1曲線1);

(2)當C0＜C2＜C1時，砂層在曲線上表現全部為負異常，但在咸水層中的異常幅值大于淡水層中的異常幅值 (見圖1曲線2);

(3)當C2＜C0＜C1時，咸水砂層在曲線上表現

為負異常，淡水砂層在曲線上表現為正異常(見圖1曲線3);

圖1 自然電位曲線

(4)當C0與C1或C2接近時，砂層在曲線上不顯示異常，在沒有砂層時，盡管C0與C1或C2相差很多也不顯示異常(見圖1曲線4)。

1.3.2 曲線異常幅值與咸淡水界面的關系

咸淡水界面是根據自然電位異常幅值的一半來確定的，曲線半幅點的深度就是咸淡水的界面的深度。

2 實際應用

筆者對W5孔應用自然電位法、梯度電極系和二極法三種方法分別進行測井，其工作任務是:劃分咸淡水界面深度，進一步驗證自然電位法劃分咸淡水界面的準確性。

2.1 測井流程

為使極化電位較穩定，先進行梯度法測量，后進行二極法測量，自然電位法可以與二極法同時測量。

2.2 資料解釋

圖2 W5孔的二極法、梯度法、自然電位法測井曲線

圖二為W5孔的三條測井曲線。從三條測井曲線分析可知:在深度62 m以上，二極法曲線起伏較小，最大的視電阻率ρs特征值不大于15Ω.m;梯度曲線較平直，視電阻率ρs特征值為7Ω.m左右;自然電位曲線為負異常，都說明62 m以上為咸水層，并且地下水礦化度大于井液礦化度。62 m以下，二極法曲線最大的視電阻率ρs特征值接近20Ω.m;梯度曲線最大的視電阻率ρs特征值為35Ω.m;自然電位曲線為正異常，說明62 m以下為淡水層，并且地下水礦化度小于井液礦化度。在淡水層中有三層砂層，三條曲線均有明顯的顯示。通過相互驗證，三條曲線所確定的咸淡水界面深度基本一致，進一步說明了自然電位電法劃分咸淡水界面的準確性和可靠性。

3 影響因素

自然電位測井的影響因素較多，如工業雜散電流的影響、絞車滑環接觸電阻的影響、儀器面板插座接觸不良的影響等，都會使曲線的中線偏斜或彎曲，甚至會使曲線沒有規律，找不出中線，給分析造成困難。

4 結語

利用自然電位曲線有效地劃分了咸淡水界面，確定了淡水體的埋深，合理指導鉆孔的布置及成井，取得了明顯的地質效果。